Поглощение (электромагнитное излучение)

Физический процесс, посредством которого материя поглощает энергию фотона и сохраняет ее.

Обзор поглощения электромагнитного излучения . В этом примере показан общий принцип с использованием видимого света в качестве конкретного примера. Источник белого света , излучающий свет нескольких длин волн , фокусируется на образце (пары дополнительных цветов обозначены желтыми пунктирными линиями). При попадании на образец фотоны , энергетическая щель которых соответствует присутствующим молекулам (в данном примере зеленый свет), поглощаются , возбуждая молекулы. Другие фотоны рассеиваются (здесь не показано) или передаются без изменений; если излучение находится в видимой области (400–700 нм), проходящий свет выглядит как дополнительный цвет (здесь красный). Регистрируя затухание света для различных длин волн, можно получить спектр поглощения .

В физике поглощение электромагнитного излучения — это то, как материя (обычно электроны, связанные в атомах ) поглощает энергию фотона — и таким образом преобразует электромагнитную энергию во внутреннюю энергию поглотителя (например, тепловую энергию ). ^[1]

Заметным эффектом поглощения электромагнитного излучения является ослабление излучения; Затухание — это постепенное уменьшение интенсивности световых волн по мере их распространения в среде.

Хотя поглощение волн обычно не зависит от их интенсивности (линейное поглощение), в определенных условиях ( оптика ) прозрачность среды изменяется в раз, изменяющемся в зависимости от интенсивности волны, и происходит насыщающееся поглощение (или нелинейное поглощение).

Количественная оценка поглощения

Многие подходы потенциально могут количественно оценить поглощение радиации, основные примеры приведены ниже.

• Коэффициент поглощения вместе с некоторыми тесно связанными производными величинами
• Коэффициент затухания ( ^{примечание : используется нечасто} в значении, синониме «коэффициента поглощения» ⁾
• Молярный коэффициент затухания (также называемый «молярным коэффициентом поглощения»), который представляет собой коэффициент поглощения, разделенный на молярность (см. Также закон Бера – Ламберта ).
• Коэффициент массового ослабления (также называемый «коэффициентом массового затухания»), который представляет собой коэффициент поглощения, разделенный на плотность.
• Сечение поглощения и сечение рассеяния тесно связаны с коэффициентами поглощения и затухания соответственно.
• «Вымирание» в астрономии , что эквивалентно коэффициенту затухания.
• Другие меры поглощения излучения, включая глубину проникновения и скин-эффект , постоянную распространения , константу затухания , фазовую постоянную и комплексное волновое число , комплексный показатель преломления и коэффициент затухания , комплексную диэлектрическую проницаемость , электрическое сопротивление и проводимость .
• Сопутствующие показатели, включая поглощение (также называемое «оптической плотностью») и оптическую толщину (также называемую «оптической толщиной»).

Все эти величины, по крайней мере в некоторой степени, измеряют, насколько хорошо среда поглощает излучение. Какие из них используют практики, зависит от области и техники, часто просто из-за условностей.

Измерение поглощения

Поглощение объекта определяет, какая часть падающего света поглощается им (вместо того, чтобы отражаться или преломляться ) . Это может быть связано с другими свойствами объекта посредством закона Бера-Ламберта .

Точные измерения оптической плотности на многих длинах волн позволяют идентифицировать вещество с помощью абсорбционной спектроскопии , при которой образец освещается с одной стороны и измеряется интенсивность света, выходящего из образца во всех направлениях. Несколькими примерами поглощения являются ультрафиолетовая и видимая спектроскопия , инфракрасная спектроскопия и рентгеновская спектроскопия поглощения .

Приложения

Приблизительный график пропускания (или непрозрачности) атмосферы Земли для электромагнитного излучения различных длин волн, включая видимый свет.

Понимание и измерение поглощения электромагнитного излучения имеет множество применений.

• В радиораспространении это представлено распространением вне прямой видимости . Например, см. расчет затухания радиоволн в атмосфере, используемый при проектировании спутниковой линии связи.
• В метеорологии и климатологии глобальные и локальные температуры частично зависят от поглощения радиации атмосферными газами (например, парниковый эффект ) и поверхностью суши и океана (см. альбедо ).
• В медицине рентгеновские лучи в разной степени поглощаются разными тканями ( в частности, костями ) , что является основой рентгеновской визуализации .
• В химии и материаловедении разные материалы и молекулы поглощают излучение в разной степени на разных частотах, что позволяет идентифицировать материал.
• В оптике солнцезащитные очки, цветные фильтры, красители и другие подобные материалы разрабатываются специально с учетом того, какие видимые длины волн они поглощают и в каких пропорциях они находятся.
• В биологии фотосинтезирующие организмы требуют, чтобы свет соответствующих длин волн поглощался активной областью хлоропластов , чтобы световая энергия могла быть преобразована в химическую энергию в сахарах и других молекулах.
• В физике известно, что D-область ионосферы Земли значительно поглощает радиосигналы, попадающие в высокочастотный электромагнитный спектр.
• В ядерной физике поглощение ядерного излучения можно использовать для измерения уровней жидкости, денситометрии или измерения толщины. ^[2]

В научной литературе известна система зеркал и линз, которая с помощью лазера «может позволить любому материалу поглощать весь свет под широким диапазоном углов». ^[3]

Смотрите также

• Абсорбционная спектроскопия
• Альбедо
• Затухание
• Электромагнитное поглощение водой
• Поглощение гидроксильных ионов
• Оптоэлектроника
• Фотоэлектрический эффект
• Фотосинтез
• Солнечная батарея
• Спектральная линия
• Спектроскопия полного поглощения
• Ультрафиолетово-видимая спектроскопия

Рекомендации

1. Бэрд, Кристофер С. (сентябрь 2019 г.). «Поглощение электромагнитного излучения» . ДоступНаука . МакГроу-Хилл. дои : 10.1036/1097-8542.001600 . Проверено 17 июня 2023 г.
2. М. Фалахати; и другие. (2018). «Проектирование, моделирование и изготовление непрерывного ядерного манометра для измерения уровней жидкости». Журнал приборостроения . 13 (2): P02028. Бибкод : 2018JInst..13P2028F. дои : 10.1088/1748-0221/13/02/P02028. S2CID  125779702.
3. «Антилазер обеспечивает почти идеальное поглощение света» . Мир физики . 31 августа 2022 г.

• Томас, Майкл Э. (январь 2006 г.). Оптическое распространение в линейных средах: атмосферные газы и частицы, твердотельные компоненты и вода. Издательство Оксфордского университета, США. стр. 3... (гл. 1, 2, 7). Бибкод : 2006oplm.book.....T. ISBN 978-0-19-509161-8. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
• ПрофХофф, Кен Меллендорф; Винс Колдер (ноябрь 2010 г.). «Отражение и поглощение». Архив физики — Спросите учёного . Аргоннская национальная лаборатория . Архивировано из оригинала 21 ноября 2010 г. Проверено 14 ноября 2010 г.